涂 勇，陳自然，盧舟鑫

(向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612)

0 引 言

水力發(fā)電過程中，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)承擔(dān)著機(jī)組工況控制、功率調(diào)節(jié)及頻率調(diào)節(jié)等主要任務(wù)[1]，其通過控制水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)過機(jī)流量，從而調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速和有功功率等電能核心指標(biāo)[2]，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行有著重大影響。尤其是當(dāng)今世界單機(jī)容量位居世界之最的向家壩巨型水輪發(fā)電機(jī)組，由于單機(jī)容量大，一旦調(diào)節(jié)性能下降，甚至惡化，將嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。為提高調(diào)速器的可靠性和調(diào)節(jié)性能，保障機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，向家壩水電站技術(shù)人員針對(duì)機(jī)組投運(yùn)以來，調(diào)速器暴露的主配頻繁調(diào)節(jié)問題，追根溯源，深入研究，并對(duì)癥下藥，制定相應(yīng)對(duì)策，開發(fā)調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)自適應(yīng)功能，例如調(diào)速器主配中位自動(dòng)診斷及糾偏功能。該功能有效解決調(diào)速器主配頻繁調(diào)節(jié)問題，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器容錯(cuò)糾錯(cuò)機(jī)制，顯著提升調(diào)速器的性能， 保障水輪發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

1 向家壩電站調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)簡介

向家壩電站調(diào)速器電氣設(shè)備采用兩套可編程PCC控制器，兩套控制器均具備獨(dú)立控制調(diào)速器的能力。A套調(diào)速器采用比例閥、B套調(diào)速器采用步進(jìn)電機(jī)作為電液轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過切換電磁閥，實(shí)現(xiàn)兩套控制系統(tǒng)相互切換。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由調(diào)速系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)[3]。向家壩調(diào)速器閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 向家壩電站調(diào)速器閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Closed-loop control structure of governor in Xiangjiaba Hydropower Plant

2 主配頻繁調(diào)節(jié)問題

2.1 現(xiàn)象描述

當(dāng)機(jī)組調(diào)速器液壓跟隨系統(tǒng)導(dǎo)葉設(shè)定值穩(wěn)定不變時(shí)，機(jī)組導(dǎo)葉開度在調(diào)速器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后出現(xiàn)持續(xù)增大或減小趨勢(shì)，調(diào)速器主配出現(xiàn)周期性調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)過程中，機(jī)組導(dǎo)葉開度始終保持在導(dǎo)葉開度死區(qū)之內(nèi)，若主配調(diào)節(jié)周期小于某一閾值，則將這種現(xiàn)象稱為主配頻繁調(diào)節(jié)現(xiàn)象。向家壩電站某臺(tái)機(jī)組主配頻繁調(diào)節(jié)錄波曲線圖見圖2。

圖2 向家壩電站某臺(tái)機(jī)組主配頻繁調(diào)節(jié)錄波曲線圖Fig.2 Recording curve of frequent adjustment of main configuration of a unit in Xiangjiaba Hydropower Plant

2.2 原因分析

導(dǎo)致主配頻繁調(diào)節(jié)現(xiàn)象的直接原因是，在調(diào)速器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，機(jī)組導(dǎo)葉開度持續(xù)增大或減小。這與以下幾個(gè)因素有關(guān)：①液壓隨動(dòng)系統(tǒng)比例閥和主配中位未整定準(zhǔn)確。②主配傳感器測(cè)量主配位置信號(hào)不準(zhǔn)，比例閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出不準(zhǔn)確，存在溫漂現(xiàn)象。③接力器在不同開度下油路密封情況不同，漏油量不同。④水力因素。因素1會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后主配復(fù)中的位置偏移主配實(shí)際中位，致使導(dǎo)葉開度定向持續(xù)變化，引起頻繁調(diào)節(jié)。后文3.1中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的理論解釋。因素2客觀存在，特別是當(dāng)傳感器周圍溫度環(huán)境存在明顯變化時(shí)，此因素對(duì)主配位置信號(hào)測(cè)量和比例閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)影響更顯著。主配反饋信號(hào)和比例閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生溫漂，會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后主配復(fù)中的位置偏移主配實(shí)際中位，致使導(dǎo)葉開度定向持續(xù)變化，引起頻繁調(diào)節(jié)。后文3.1中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的理論解釋。因素3會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉開度定向持續(xù)變化，且不同開度下變化速度不同，引起頻繁調(diào)節(jié)。因素4存在不確定性，不同水頭不同開度時(shí)影響不同。

2.3 影響危害

主配頻繁調(diào)節(jié)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致主配閥芯位置頻繁抽動(dòng)、液壓系統(tǒng)油泵頻繁啟停、耗油量異常變大、油溫`組設(shè)備產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。若并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)組出現(xiàn)主配頻繁調(diào)節(jié)問題，負(fù)載下處理風(fēng)險(xiǎn)很高，若停機(jī)或在空載狀態(tài)下處理又會(huì)造成棄水或減少有效發(fā)電時(shí)間，影響發(fā)電效益。

3 主配中位自動(dòng)診斷及智能糾偏技術(shù)

為解決向家壩調(diào)速器存在的主配頻繁調(diào)節(jié)問題，主要從2.2中因素1和因素2入手，對(duì)調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中位自適應(yīng)控制功能進(jìn)行專項(xiàng)研究，提出了一種通過實(shí)現(xiàn)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主配中位的自動(dòng)診斷和智能糾偏，解決向家壩調(diào)速器主配頻繁調(diào)節(jié)問題的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中位自適應(yīng)控制方法。當(dāng)中位零點(diǎn)在機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)了漂移，而漂移的大小在不影響正常運(yùn)行的情況下，調(diào)速器電氣部分輸出一對(duì)應(yīng)的值到電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償，以保證整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定[4]。該方法可廣泛應(yīng)用于使用主配、接力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式的水輪發(fā)電機(jī)組，能夠?qū)φ{(diào)速器的閉環(huán)調(diào)節(jié)過程進(jìn)行監(jiān)視和診斷，一旦發(fā)現(xiàn)調(diào)速器由于調(diào)速器主配電氣中位漂移或者中位整定不準(zhǔn)確等原因?qū)е抡{(diào)速器調(diào)節(jié)性能下降，則自動(dòng)啟動(dòng)智能糾偏功能，對(duì)主配電氣中位進(jìn)行修正，從而保證調(diào)速器調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)主配電氣中位自適應(yīng)。

3.1 主配中位糾偏原理

主配中位糾偏的理論基礎(chǔ)為調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)平衡理論。下面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

調(diào)速系統(tǒng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)由電液轉(zhuǎn)換元件、液壓控制元件和執(zhí)行元件等組成[5]。為了使控制系統(tǒng)的表示既簡單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統(tǒng)的框圖進(jìn)行分析研究[6]。向家壩電站調(diào)速系統(tǒng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖3所示存在兩個(gè)閉環(huán)反饋：導(dǎo)葉開度控制環(huán)和主配控制環(huán)，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)平衡時(shí)，導(dǎo)葉開度控制環(huán)和主配控制環(huán)必然平衡穩(wěn)定。

圖3 調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Closed-loop structure of hydraulic servo system of governor

假設(shè)導(dǎo)葉開度反饋為Y，調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)PID模塊輸出的導(dǎo)葉開度給定為Y給定，開度死區(qū)為Y死區(qū)，開度差值為ΔY，導(dǎo)葉開度控制模塊增益系數(shù)為KY，導(dǎo)葉開度控制模塊輸出的主配位置給定為M給定，主配位置反饋為M，主配電氣中位設(shè)定值為M中，主配的動(dòng)作死區(qū)為[M1，M2]，其中M1<0

由圖3所示，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)平衡時(shí)，各變量必然滿足以下關(guān)系：

ΔYKY=M給定

(1)

(M給定-M)KM=B給定

(2)

B給定+B0=B0平衡

(3)

B0平衡=B0實(shí)際

(4)

當(dāng)|Y給定-Y|≤Y死區(qū)時(shí)：

ΔY=0

(5)

經(jīng)過比例閥電氣中位自診斷自定位處理后

B0=B0實(shí)際

(6)

由上述六式(1)～式(6)可以得到：

M=0

(7)

由式(7)明顯可以看出，在調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)平衡，比例閥中位設(shè)定值設(shè)定合理前提下，主配位置反饋M為0，即主配位置被調(diào)速器電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)到主配電氣中位。

測(cè)量主配位置信號(hào)的傳感器由于受溫度變化、電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，不可避免輸出信號(hào)存在溫漂現(xiàn)象，即主配位置反饋信號(hào)發(fā)生漂移，從而調(diào)速器主配電氣中位產(chǎn)生偏移，設(shè)零漂偏移量為ΔM，則主配位置實(shí)際反饋M實(shí)際=M-ΔM=-ΔM。當(dāng)主配位置反饋信號(hào)零漂偏移量為正時(shí)，主配實(shí)際位置偏關(guān)；當(dāng)主配位置反饋信號(hào)零漂偏移量為負(fù)時(shí)，主配實(shí)際位置偏開。

當(dāng)主配電氣中位產(chǎn)生嚴(yán)重偏移，導(dǎo)致主配位置實(shí)際反饋M實(shí)際?[M1，M2]時(shí)，導(dǎo)葉開度反饋Y開始變化。當(dāng)ΔM>0，M實(shí)際M2時(shí)，導(dǎo)葉開度反饋Y開始增大。

為了解決機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行過程中上述調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主配中位漂移問題，就需要實(shí)時(shí)對(duì)調(diào)速器主配電氣中位漂移進(jìn)行自動(dòng)診斷和智能糾偏。

無論是由于主配中位整定不準(zhǔn)確，還是主配電氣中位由于受溫度變化、電源電壓不穩(wěn)等因素的影響產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致主配發(fā)生頻繁調(diào)節(jié)現(xiàn)象，其糾偏方法如下：若導(dǎo)葉開度反饋Y有持續(xù)變小趨勢(shì)，糾偏需要增加M中；若導(dǎo)葉開度反饋Y有持續(xù)變大趨勢(shì)，糾偏需要減小M中。

3.2 主配中位自動(dòng)診斷方法

系統(tǒng)自診斷功能：系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)做出判斷，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，給出故障產(chǎn)生原因的推斷[7]。為實(shí)現(xiàn)調(diào)速器主配中位漂移自診斷功能，根據(jù)3.1中主配中位糾偏原理，可以找到一種調(diào)速器主配中位自動(dòng)診斷方法如下：

(1)調(diào)速器電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)PID模塊輸出的導(dǎo)葉開度給定Y給定，主配位置給定M給定等數(shù)據(jù)；

(2)判斷相關(guān)數(shù)據(jù)是否滿足調(diào)速器主配電氣中位漂移判據(jù)：當(dāng)導(dǎo)葉開度給定Y給定穩(wěn)定不變時(shí)，主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期小于閾值T，主配調(diào)節(jié)周期與機(jī)組調(diào)速器的接力器靜態(tài)漂移速度和開度調(diào)節(jié)死區(qū)有關(guān)，T可根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況綜合考慮設(shè)定，一般不小于20 s；

(3)若滿足判據(jù)，則停止診斷，進(jìn)入主配電氣中位自動(dòng)糾偏環(huán)節(jié)；若不滿足判據(jù)，返回步驟1。

3.3 主配中位自動(dòng)糾偏方法

實(shí)現(xiàn)調(diào)速器主配中位漂移自診斷功能后，就可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障處理功能。根據(jù)3.1中主配中位糾偏原理，可以找到一種調(diào)速器主配中位自動(dòng)糾偏方法如下：

(1)調(diào)速器電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主配位置反饋M，導(dǎo)葉開度反饋Y、主配位置給定M給定等數(shù)據(jù)；

(2)檢測(cè)當(dāng)導(dǎo)葉開度給定Y給定穩(wěn)定不變時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期；

(3)若主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期小于閾值T′且主配位置給定M給定為開向調(diào)節(jié)時(shí)，則將主配中位設(shè)定值增加最高單位精度值，調(diào)整周期與主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期正相關(guān)，調(diào)整后返回步驟1；若主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期小于閾值T′且主配位置給定M給定為關(guān)向調(diào)節(jié)時(shí)，則將主配中位設(shè)定值減小最高單位精度值，調(diào)整周期與主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期正相關(guān)，調(diào)整后返回步驟1；若主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期大于閾值T′時(shí)，停止主配中位智能糾偏，繼續(xù)進(jìn)入調(diào)速器主配及導(dǎo)葉頻繁調(diào)節(jié)故障診斷環(huán)節(jié)。T′>T且T′可根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況綜合考慮設(shè)定，一般不小于60 s。T′設(shè)置越大，最終主配電氣中位設(shè)定值越接近主配電氣中位實(shí)際值。

4 主配中位自動(dòng)診斷及糾偏功能開發(fā)

向家壩電站調(diào)速系統(tǒng)控制器采用的是貝加萊PCC2005，軟件開發(fā)應(yīng)用環(huán)境是貝加萊AS3.0，通過此開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制功能，編寫調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)主配中位自動(dòng)診斷及智能糾偏功能程序塊，嵌入調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)程序中，然后上傳控制器PCC，完成調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)主配中位自動(dòng)診斷及智能糾偏功能軟件開發(fā)。

根據(jù)主配中位自動(dòng)診斷和糾偏方法，調(diào)速器主配中位自動(dòng)診斷及智能糾偏功能程序塊主要分為數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)靜態(tài)平衡判斷、主配中位診斷以及主配中位糾偏四大部分。觸摸屏人機(jī)交互畫面見圖4，軟件流程見圖5。

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Human-computer interaction interface

圖5 主配中位自動(dòng)診斷及糾偏流程圖Fig.5 Flow chart of main configuration median automatic diagnosis and deviation correction

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

向家壩水電站某臺(tái)機(jī)組在檢修過程中，采用該方法，優(yōu)化了調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)程序，增加了主配中位自動(dòng)診斷和糾偏功能。下面結(jié)合向家壩電站調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主配中位自動(dòng)糾偏試驗(yàn)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，說明調(diào)速器主配中位自動(dòng)診斷及糾偏技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的應(yīng)用。

5.1 試驗(yàn)過程

將向家壩水電站某臺(tái)機(jī)組調(diào)速器控制方式切為A套控制器在線，自動(dòng)電手動(dòng)運(yùn)行方式，并網(wǎng)開度模式，保持開度給定穩(wěn)定不變，液壓隨動(dòng)系統(tǒng)比例閥中位已準(zhǔn)確設(shè)定，主配電氣中位已準(zhǔn)確設(shè)定為16 950，人為修改至17 050后進(jìn)行試驗(yàn)，主配電氣中位設(shè)定值調(diào)整周期為主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期，T設(shè)為20 s，T′設(shè)為20.5 s，主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期初始化值為40 s。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

主配電氣中位糾偏曲線圖見圖6。圖6中，藍(lán)色為糾偏過程中主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期曲線，紅色為主配電氣中位設(shè)定值M中曲線。

5.3 試驗(yàn)分析

由圖6可見，試驗(yàn)中，第9.6 s，試驗(yàn)人員將控制程序中主配電氣中位調(diào)整功能使能位置1，第16.4 s程序自動(dòng)檢測(cè)到主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期為3.5 s，小于閾值T，開始以主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期為周期，減少1個(gè)碼值，程序?qū)崟r(shí)計(jì)算刷新主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期，直到第656.4 s，主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期大于閾值T′為止，主配電氣中位重新設(shè)定為17 009，調(diào)整結(jié)束。主配中位設(shè)定值調(diào)整周期越長，主配位置給定M給定調(diào)節(jié)周期測(cè)量越精確，最終主配電氣中位設(shè)定值越接近主配電氣中位實(shí)際值。

圖6 主配電氣中位糾偏曲線圖Fig.6 Median deviation correction curve of main distribution

6 結(jié) 語

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主配中位自動(dòng)診斷及智能糾偏功能，較好地解決了由于調(diào)速器液壓跟隨系統(tǒng)主配中位整定不準(zhǔn)確或電氣中位漂移導(dǎo)致的主配頻繁調(diào)節(jié)問題，保證了水輪機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。該功能的實(shí)現(xiàn)，增添調(diào)速器部分容錯(cuò)糾錯(cuò)能力，明顯提升調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能，為設(shè)備精益化運(yùn)行維護(hù)提供了有力幫助，為水輪發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行提供了充分保障。

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